В большинстве развитых стран основным загрязнителем воздуха техногенными оксидами азота является транспорт.
Опыт США и Японии показал, что совершенствование автомобильных двигателей и использование каталитических нейт рализаторов позволяет уменьшить долю выбросов NOx транспортом до 45- 50 %.
В Германии долю теплоэнергетики в валовом выбросе NOx в период с 1988 по 1995 гг. удалось снизить на 68 % за счет внедрения топочных мероприятий и использованы в азотоочистных установок на ТЭС. В итоге доля ТЭС в общем объеме выбросов NOx упала с 24,6 до 11,5 %.
Современные методы снижения выбросов NO, за счет совершенствования автомобильных двигателей и использования каталитических нейтрализаторов достаточно подробно представлены в монографии.
Современные способы снижения выброса NOx, применяемые на ТЭС, включают:
- специальные технологии сжигания, основанные на снижении температуры в топке и ступенчатой подаче воздуха и топлива, а также сжигании топлива в кипящем слое и др.;
- технологии химической очистки дымовых газов.
Ниже приведено сопоставление этих технологий с учетом выявленных в процессе эксплуатации преимуществ и недостатков.
Качественные и надёжные газовые обогреватели смотреть тут.
Топочные технологии подавления оксидов азота имеют низкие эксплуатационные затраты по сравнению с химическими способами очистки, но уступают им в эффективности.
Согласно экспертным оценкам специалистов VGB, основанных на результатах стендовых исследовании, сегодня с учетом современных знаний о закономерностях образования оксидов азота в топке можно спроектировать новый котел с выбросами NOx при сжигании газа 10-50, жидкого < 200 и твердого топлива 200 мг/м3. На эксплуатируемых в настоящее время котлах такие выбросы достигнуть не удается.
Сегодня на действующих котлах потенциальные возможности топочных технологий подавления NOx не могут быть использованы из-за необходимости минимизации коррозии, эрозии, недожога топлива, обеспечения стабильности пламени, а также по техннко-экономическим показателям.
В таблице ниже приведены оптимальные значения эффективности основных технологических методов поданным многолетней эксплуатации котельных установок в Германии. Видно, что при использовании жидкого и твердого топлива топочные технологии не позволяют обеспечить эффективность снижения эмиссии NOx более, чем на 40 %, и лишь на газовых котлах при использовании рециркуляции дымовых газов в сочетании с малотоксичными горелками удается достичь 60 % -ную эффективность подавления NOx.
Рекомендуемая эффективность топочных технологий на основе многолетнего опыта их применения в Германии
Технология | Ограничения, определяющие эффективность технологий | Эффективность подавления NOx, % |
Пониженный избыток воздуха |
| не более 10% |
| 10-40% в зависимости от типа котла и топлива | |
| до 20 % | |
| не более 20% | |
| 20-30 % | |
Малотоксичная горелка и рециркуляция дымового газа |
| до 30 % (тяжелый мазут) до 40 % (газойль) до 60 % (газ) |
Малотоксичная горелка со ступенчатой подачей топлива и воздуха |
| до 40% |
Наименее эффективным является метод подавления NOx, основанный на снижении избытка воздуха в топке (снижение NOx менее, чем на 10 %), поскольку при низком содержании O2 появляется опасность шлакования и коррозии в топке.
При двухступенчатом сжигании топлива наряду со шлакованием и коррозией приходится принимать во внимание возможность неполного сгорание топлива. Вместе с тем эта технология позволяет обеспечить подавление NOx в зависимости от конструктивных особенностей котли и типа используемого топлива на 10-40 %. При реализации трехступенчатого сжигания трудно избежать недожога твердого топлива, и поэтому, по мнению немецких коллег, эффективность снижения NOx в этом случае не должна превышать 20 %.
Нестабильность пламени горелок и больший перепад давлений не позволяет по технико-экономическим соображениям рекомендовать применение рециркуляции дымового газа с эффективностью подавления NOx более, чем 20 %.
Основной недостаток малотоксичных горелок со ступенчатой подачей воздуха — нестабильность пламени и неполное сгорания топлива. Поэтому при их использовании обычно рассчитывают на эффективность снижения NOx 20 -30 %. Применение таких горелок в сочетании с рециркуляцией дымовых газов рекомендуется лишь при сжигании газа и мазута.
Нестабильность факела и неполное сгорание топлива являются основным недостатками малотоксичных горелок со ступенчатым подачей топлива и воздуха. Тем не менее на сегодня их применение наиболее оптимально. Они обеспечивают подавление NOx на 40 % при сжигании всех видов топлив.
Некоторые конструктивные отличия котлов и свойств используемых топлив в России не позволяют в полной мере принять оценки, приведенные в таблице выше. Особенно, если учесть, что в России на большом числе котлов, спроектированных для сжигания твердого топлива, используется природный газ.
Технологии химической очистки дымовых газов. Всего известно порядка 18 технологий денитрификации дымовых газов. Большинство из них опробованы на стендовых установках и в условиях ТЭС. Однако практическое применение нашли лишь две: СНКВ и СКВ.
Обе эти технологии обычно реализуются при использовании в качестве реагентов сжиженного аммиака или аммиачной воды. Иногда применяется раствор мочевины. В принципе, могут быть применены циаиуровая кислота, меламин, уротропин и другие производные аммиака. Однако в этом случае перед раздачей реагента в каталитический реактор предусматривается специальный конвертор, обеспечивающий их гидролиз или термолиз до аммиака. При СНКВ-процессе эти соединения могут непосредственно впрыскиваться в котел, в котором и происходит их превращение в аммиак. Токсичность аммиака и высокая стоимость его производных является основным недостатком этих технологий. Однако вплоть до настоящего времени других реактантов, способных селективно и с высокой эффективностью восстанавливать оксиды азота в присутствии значительных ь отчеств О2, подобрать не удалось.
Теоретически в лабораторных условиях при СКВ- и СНКВ-процессах при избытке аммиаки можно достичь эффективности очистки 90-100 %. Однако проскок непрореагировавшего аммиака нормируется. В связи с этим дозируемое его количество стараются поддерживать на минимальном уровне, что понижает эффективность очистки.
При СКВ-технологии денитрификация протекает в специальном аппарате, что позволяет обеспечить необходимую температуру и однородность по температуре и концентрации N0x по всему сечению каталитического реактора. За счет применения большого числа сопл (до 40 на м2 сечения) с индивидуальной настройкой, сгруппированных в отдельные поля, удается поддерживать необходимое соотношение NH3/NOx по сечению реактора с отклонением от среднего значения не более чем 6 15 %, что достаточно для обеспечения эффективности очистки на уровне 80-90 % независимо от начальной концентрации NOx, типа используемого топ пива и конструктивных особенностей котла при минимальном расходе аммиака (1 моль NH3 приводит к нейтрализации 1 моля NOx).
В настоящее время на ТЭС эксплуатируется свыше 400 СКВ-установок: в Японии, ФРГ, Австрии, Дании, США, Швеции, России и др. развитых странах. Производство катализаторов сосредоточено в Японии, Германии, Австрии, Дании и США. Хотя метод был разработан в конце 70-х годов, вплоть до настоящее времени продолжается сооружение подобных установок в США и Западной Европе. В последние годы проявляется дополнительный интерес к этой технологии, поскольку в условиях СКВ-процесса имеет место нейтрализация диоксинов и фуранов.
Процесс СНКВ с использованием аммиачной воды, мочевины и в некоторых случаях сжиженного аммиака применяется в основном на котлах малой и средней мощности. Его эффективновсть полностью определяется конструкцией котла, а именно протяженностью зоны с температурой 1220-1370 К. Это объясняется трудностью оптимальной раздачи аммиака по сечению реакционного пространства с учетом локальных температур, концентрации NOx, линейных скоростей дымовых газов.
В странах Европы имеется около 20 таких установок, значительное их число в США. Эффективность очистки на них, как правило, не превышает 50 %, хотя имеются случаи когда эффективность достигает 80 -90 %. Поэтому с помощью СНКВ не все гда удается обеспечить необходимый уровень выброса NOx.
Значительные капитальные и эксплуатационные затраты при реализации высокоэффективного процесса СКВ, недостаточная степень СНКВ-очистки для значительной группы котлов и применение в качестве нейтрализующего реагента токсичного аммиака обосновывают значительный объем ведущихся вплоть до настоящего времени исследований в области разработки новых методов очистки дымовых газов.